2 塑料制品設(shè)計基礎(chǔ)

內(nèi)容提要

塑料制品設(shè)計首先要確定制品的功能和性能指標(biāo)，再選擇合適的材料，進(jìn)而決定成形加工工藝，然后進(jìn)行制品結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算，繪制塑料制品生產(chǎn)圖。完善的塑料制品設(shè)計還應(yīng)包括制品的失效分析、成本核算、制品的功能和性能測試。因此，了解塑料材料各項性能的測試是十分重要的，使所設(shè)計的制品性能優(yōu)良，從而實現(xiàn)力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等使用要求。塑料制品應(yīng)用場合眾多，功能各異，品種萬千，所以全面學(xué)習(xí)塑料件的設(shè)計原則和方法很有必要。本章主要介紹注塑制品的設(shè)計原則、材料選用和制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容。

2.1 塑料制品設(shè)計基礎(chǔ)

2.1.1 塑料性質(zhì)

塑料是指以高分子合成樹脂為主要成分，在一定溫度和壓力下具有塑性和流動性，可被塑制成一定形狀，且在一定條件下保持形狀不變的材料。常用塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩類。熱固性塑料的特點是在受熱或其他條件作用下能固化成不溶性物料；熱塑性塑料的特點是在特定的溫度范圍內(nèi)能反復(fù)加熱軟化或冷卻凝固。

塑料在性能上具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度好、耐腐蝕、絕緣性好、易著色、制品可加工成任意形狀，且生產(chǎn)效率高、價格低廉等優(yōu)點。

塑料的分子結(jié)構(gòu)。塑料的主要成分是樹脂，樹脂有天然樹脂和合成樹脂兩種。

塑料的成分如下：

· 樹脂：主要作用是將塑料的其他成分加以黏合，并決定塑料的主要性能，如機(jī)械、物理、電和化學(xué)性能等。樹脂在塑料中的比例一般為40%～65%。

· 填充劑：又稱添料，正確地選擇填充劑，可以改善塑料的性能并擴(kuò)大它的使用范圍。

· 增塑劑：有些樹脂的可塑性很小，柔軟性也很差，為了降低樹脂的熔融黏度和熔融溫度，改善其成形加工性能，改進(jìn)塑料的柔韌性、彈性以及其他各種必要的性能，通常加入能與樹脂相容的不易揮發(fā)的高沸點的有機(jī)化合物。這類物質(zhì)稱為塑劑。

· 著色劑：又稱色料，主要起美觀和裝飾作用，包含涂料部分。

· 穩(wěn)定劑：凡能延緩塑料變質(zhì)的物質(zhì)統(tǒng)稱為穩(wěn)定劑，如分光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑和抗氧劑等。

· 潤滑劑：改善塑料熔體的流動性，減少或避免對設(shè)備或模具的摩擦和粘附，以及改進(jìn)塑件的表面光潔度。

2.1.2 常用塑料介紹

表2-1為熱塑性塑料縮寫代號與中文對照。

不同成分的塑料體現(xiàn)了它們不同的使用價值，表2-2是常用熱塑性塑料的使用性能及用途。

表2-3為常用塑料的特性及識別。

塑料制件的選材應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個方面：

· 塑料的力學(xué)性能：如強(qiáng)度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、沖擊性能以及對應(yīng)力的敏感性。

· 塑料的物理性能：如對使用環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性、光學(xué)特性、絕熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀的完美程度等。

· 塑料的化學(xué)性能：如對接觸物的耐性、衛(wèi)生程度以及使用上的安全性等。

· 必要的精度：如收縮率的大小及各向收縮率的差異。

· 成形工藝性：如塑料的流動性、結(jié)晶性和熱敏性。

對于塑料材料的這些要求往往是通過塑料的特性表進(jìn)行選擇和比較的。可選擇《塑料成形加工與模具》或其他參考手冊，如《樹脂手冊》中常用塑料特性表進(jìn)行各種塑料的比較選擇。

2.1.3 塑料件設(shè)計工藝要求

2.1.3.1熱固性塑料

常用熱固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、酚醛）聚酯、聚鄰苯二甲酸和二丙烯酯等，主要用于壓塑、擠塑和注射成形。硅酮和環(huán)氧樹脂等塑料目前主要作為低壓擠塑封裝電子元件及澆注成形等用。其成形工藝性能主要包括如下內(nèi)容。

1.成形收縮率

塑件自模具中取出冷卻到室溫后，發(fā)生尺寸收縮這種性能稱為收縮性。由于收縮不僅是樹脂本身的熱脹冷縮，而且還與各成形因素有關(guān)，所以成形后塑件的收縮應(yīng)稱為成形收縮。

（1）成形收縮的形式。成形收縮主要表現(xiàn)在下列幾方面。

· 塑件的線尺寸收縮：由于熱脹冷縮，塑件脫模時的彈性恢復(fù)、塑性變形等原因?qū)е滤芗撃＠鋮s到室溫后其尺寸縮小，為此型腔設(shè)計時必須考慮予以補(bǔ)償。

· 收縮方向性：成形時分子按受力方向排列，使塑件呈現(xiàn)各向異性，沿料流方向（即平行方向）則收縮大、強(qiáng)度高，與料流直角方向（即垂直方向）則收縮小、強(qiáng)度低。另外，成形時由于塑件各部位密度及填料分布不勻，故使收縮也不勻。產(chǎn)生收縮差使塑件易發(fā)生翹曲、變形和裂紋，尤其在擠塑及注射成形時則方向性更為明顯。因此，模具設(shè)計時應(yīng)考慮收縮方向性，塑件形狀和料流方向選取收縮率為宜。

· 后收縮：塑件成形時，由于受成形壓力、剪切應(yīng)力、各向異性、密度不勻、填料分布不勻、模溫不勻、硬化不勻和塑性變形等因素的影響，引起一系列應(yīng)力的作用，在黏流態(tài)時不能全部消失，故塑件在應(yīng)力狀態(tài)下成形時存在殘余應(yīng)力。當(dāng)脫模后由于應(yīng)力趨向平衡及貯存條件的影響，使殘余應(yīng)力發(fā)生變化而使塑件發(fā)生再收縮稱為后收縮。一般塑件在脫模后10小時內(nèi)變化最大。24 小時后基本定型，但最后穩(wěn)定要經(jīng)過30～60 天。通常熱塑件塑料的后收縮比熱固性大，擠塑及注射成形比壓塑成形的大。

· 后處理收縮：有時塑件按性能及工藝要求，成形后需進(jìn)行熱處理，處理后也會導(dǎo)致塑件尺寸發(fā)生變化。故模具設(shè)計時對高精度塑件則應(yīng)考慮后收縮及后處理收縮的誤差并予以補(bǔ)償。

（2）收縮率計算。塑件成形收縮數(shù)值可用收縮率來表示，如公式（2-1）和（2-2）所示。

公式中

S P——實際收縮率（%）；

S——計算收縮率（%）；

a——塑件在成形溫度時單向尺寸（mm）；

b——塑件室溫下單向尺寸（mm）；

c——模具在室溫下單向尺寸（mm）。

實際收縮率表示塑件實際所發(fā)生的收縮，因其值與計算收縮相差很小，而塑件在成形溫度時的尺寸很難測試，此時的尺寸基本與模具型腔尺寸相同，（此時忽略金屬的形變尺寸）所以模具設(shè)計時以計算收縮率為設(shè)計參數(shù)來計算型腔及型芯尺寸。

（3）影響收縮率變化的因素。在實際成形時不僅不同品種塑料其收縮率各不相同，而且不同批的同品種塑料或同一塑件的不同部位其收縮值也經(jīng)常不同，影響收縮率變化的主要因素有如下幾個方面：

· 塑料品種：各種塑料都有其各自的收縮范圍，同種塑料由于填料、分子量及配比等不同，則其收縮率及各向異性也不同。

· 塑件特性：塑件的形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件、嵌件數(shù)量及布局對收縮率大小也有很大影響。

· 模具結(jié)構(gòu)：模具的分型面及加壓方向，澆注系統(tǒng)的形式，布局和尺寸對收縮率及方向性影響也較大，尤其在擠塑及注射成形時更為明顯。

· 成形工藝：擠塑、注射成形工藝一般收縮率較大，方向性明顯。預(yù)熱情況、成形溫度、成形壓力、保壓時間對收縮率都有影響。

如上所述，模具設(shè)計時應(yīng)根據(jù)各種材料說明書中所提供的收縮率范圍，并按塑件形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件情況、分型面及加壓成形方向、模具結(jié)構(gòu)及澆口形式尺寸及位置、成形工藝等諸多因素綜合考慮選取收縮率值。對擠塑或注射成形時，則常根據(jù)塑件各部位的形狀、尺寸、壁厚等特點選取不同的收縮率數(shù)值。

2.流動性

塑料在一定溫度和壓力下填充型腔的膠的能力稱為流動性。這是模具設(shè)計時必須考慮的一個重要工藝參數(shù)。流動性太大易造成溢料過多，填充型腔不密實，塑件組織疏松，樹脂、填料分頭聚積，易造成粘模、脫模及清理困難、硬化過早等弊病。但流動性小則會出現(xiàn)填充不足，不易成形，成形壓力大等問題。所以選用塑料的流動性必須與塑件要求、成形工藝及成形條件相適應(yīng)。

模具設(shè)計時應(yīng)根據(jù)流動性能來考慮澆注系統(tǒng)、分型面及進(jìn)料方向等。熱固性塑料流動性通常以拉西格流動值（以mm計）來表示，數(shù)值大則流動性好。每一品種的塑料通常分為三個不同等級的流動性，以供不同塑件及成形工藝選用。一般塑件面積大、嵌件多、型芯及嵌件細(xì)弱、有狹窄深槽及薄壁的復(fù)雜形狀對填充不利時，應(yīng)采用流動性較好的塑料等級。擠塑成形時應(yīng)選用拉西格流動性150mm以上的塑料，注射成形時應(yīng)用拉西格流動性200mm以上的塑料。

為了保證每批塑料都有相同的流動性，在實際中常用并批方法來調(diào)節(jié)，即將同一品種而流動性有差異的塑料加以配用，使各批塑料流動性互相補(bǔ)償，以保證塑件質(zhì)量。常用塑料的拉西格流動件值可參考相關(guān)熱固性塑料性能手冊，但必須指出塑料的流動性除了決定于塑料品種外，在填充型腔時還常受各種因素的影響，使塑料實際填充型腔的能力發(fā)生變化。如粒度細(xì)勻（尤其是圓狀粒料）、濕度大、含水分及揮發(fā)物多，預(yù)熱及成形條件適當(dāng)，模具表面粗糙度好，模具結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)榷加欣诟纳屏鲃有裕环粗A(yù)熱或成形條件不良、模具結(jié)構(gòu)不良、流動阻力大或塑料貯存期過長、超期、貯存溫度高（尤其對氨基塑料）等都會導(dǎo)致塑料填充型腔時實際的流動性能下降而造成填充不良。

3.比容及壓縮率

比容為每一克塑料所占有的體積（cm3/g或ml/g）。壓縮率為塑粉原料與塑件兩者體積或比容之比值（其值恒大于1）。它們都可被用來確定壓模裝料室的大小，數(shù)值大則要求裝料室體積大，同時說明塑粉內(nèi)充氣多、排氣困難、成形周期長和生產(chǎn)率低。比容小則情況反之，而且有利于壓錠和壓制。但比容值也常因塑料的粒度大小及顆粒不均勻而有誤差。各種塑料的比容值可查相關(guān)手冊。

4.固化特性

熱固性塑料在成形過程中在加熱受壓下軟化轉(zhuǎn)變成熱塑性熔流狀態(tài)，隨之流動性增大填充型腔，與此同時發(fā)生縮合反應(yīng)，交聯(lián)密度不斷增加，流動性迅速下降，融料逐漸固化。模具設(shè)計時對硬化速度快、保持流動狀態(tài)短的物料應(yīng)注意便于裝料、方便裝卸嵌件及選擇合理的成形條件和操作等，以免過早硬化或硬化不足導(dǎo)致塑件成形不良。

硬化速度一般可從熱固性工藝特性表中的保持時間來分析，它與塑料品種、壁厚、塑件形狀和模溫有關(guān)，但還受其他因素的影響。尤其與預(yù)熱狀態(tài)有關(guān)，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱應(yīng)保持在使塑料能發(fā)揮出最大流動性的條件下，盡量提高其硬化速度。一般預(yù)熱溫度高、時間長（在允許范圍內(nèi)）則硬化速度加快，尤其預(yù)壓錠坯料經(jīng)高頻預(yù)熱的，其硬化速度顯著加快。另外，成形溫度高、加壓時間長則硬化速度也隨之增加。因此，硬化速度也可通過調(diào)節(jié)預(yù)熱或成形條件予以適當(dāng)控制。

硬化速度還應(yīng)適合成形方法要求，如在注射、擠塑成形時要求塑化、填充過程化學(xué)反應(yīng)、硬化速度慢，應(yīng)保持較長時間的流動狀態(tài)，而當(dāng)充滿型腔后在高溫、高壓下應(yīng)快速硬化成形，縮短成形時間，提高生產(chǎn)效率。

5.水分及揮發(fā)物含量

各種塑料中含有不同程度的水分和揮發(fā)物，過多時導(dǎo)致流動性增大、易溢料、保持時間長、收縮增大，且易發(fā)生波紋、翹曲等弊病，影響塑件機(jī)電性能。但當(dāng)塑料過于干燥時也會導(dǎo)致流動不良、成形困難，所以不同塑料應(yīng)按要求進(jìn)行預(yù)熱干燥。對吸濕性強(qiáng)的，尤其在潮濕季節(jié)即使對預(yù)熱后的物料也應(yīng)防止再吸濕。

由于各種塑料中含有不同程度的水分及揮發(fā)物，同時在縮合反應(yīng)時要發(fā)生縮含水分，這些成分都需在成形時變成氣體排出模外，有的氣體對模具有腐蝕作用，對人體也有刺激作用。為此在模具設(shè)計時應(yīng)對各種塑料的此類特性有所了解，并采取相應(yīng)措施，如預(yù)熱、模具鍍鉻防腐蝕，開排氣槽或成形時設(shè)計排氣工序等。

6.工藝成形特性

常用熱固性塑料的工藝特性、工藝條件及成形特性可查相關(guān)手冊。各種塑料成形特性與各種塑料品種有關(guān)，還與所含填料品種力度及顆粒均勻度有關(guān)。細(xì)料流動性好，但預(yù)熱不易均勻，充入空氣多不易排出、傳熱不良、成形時間長。粗料塑件光澤差，易發(fā)生表面不均勻。顆粒過粗、過細(xì)還直接影響比容及壓縮率、模具加料室容積，顆粒不均勻則成形性不好、硬化不均勻，同時不宜采用容量法加料。填料品種對成形特性也有影響，具體可查閱相關(guān)塑料模具設(shè)計手冊。

2.1.3.2. 熱塑性塑料

熱塑性塑料是指以具有線型或支鏈型結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子化合物為主體樹脂，添加各類助劑形成的的混合物，它們具有可反復(fù)受熱軟化（或熔化）和冷卻硬化的性質(zhì)。在軟化狀態(tài)下可以進(jìn)行模塑加工。熱塑性塑料種類豐富，即使同一種塑料也會由于樹脂分子量及添加助劑配比不同而使其使用和工藝特性不同。另外，為了改變原有品種的特性，常用共聚、交聯(lián)等各種化學(xué)聚合方法在原有的樹脂結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入一定含量的異種單體或高分子等樹脂，以改變原有樹脂的結(jié)構(gòu)，成為具有新的使用性能及工藝持性的改性品種。熱塑性塑料品種多、性能復(fù)雜，即使同種類的塑料也有供擠出、注射或吹塑級別的分類，這里主要介紹各種注射級熱塑性塑料成形過程中的工藝性能。

1.成形收縮率

熱塑性塑料成形收縮的定義及計算如前所述熱固性塑料中所介紹的，在熱塑性塑料中影響成形收縮的因素如下。

（1）塑料品種。熱塑性塑料成形過程中不但存在由于溫度的變化導(dǎo)致的熱脹冷縮引起的收縮，對于結(jié)晶聚合物還存在結(jié)晶化引起的相態(tài)變化引起的體積收縮，成形后材料內(nèi)殘余應(yīng)力大，分子取向性強(qiáng)等因素，因此與熱固性塑料相比則成形收縮率較大，收縮率范圍寬、方向性明顯。另外成形后的收縮、退火或調(diào)濕處理過程收縮一般也都比熱固性塑料大。

（2）塑件特性。塑料注射成形時高溫熔融物料與冷的型腔表面接觸，物料外層立即冷卻形成低密度的固態(tài)外殼。由于塑料的導(dǎo)熱性差，形成的固體層起到隔熱的作用，使塑件內(nèi)層緩慢冷卻而形成收縮較大的高密度固態(tài)層，所以塑件壁厚、冷卻速度慢、高密度層厚的塑件收縮更大。另外嵌件及嵌件布局、數(shù)量也會直接影響熔融料流的方向、料層密度分布及收縮阻力大小等，所以塑件本身的特征對收縮大小和方向性影響也較大，這就要求塑件設(shè)計人員在進(jìn)行塑件設(shè)計過程中注意進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計。

（3）模具澆口形式、尺寸、分布的設(shè)計。由于澆口是熔融物料從澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔成形的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)尺寸和分布直接影響型腔內(nèi)料流的方向、密度分布、保壓補(bǔ)縮作用及成形時間。一般情況下直接進(jìn)料口、澆口截面大（尤其截面較厚的）則收縮小，但方向性大；澆口寬及長度短的則方向性小；距進(jìn)料口近的或與料流方向平行的則收縮大。因此根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點，模具結(jié)構(gòu)綜合考慮設(shè)計合理的澆口對減小塑料制品的收縮變形非常重要。

（4）工藝成形條件。成形過程中模具溫度高，熔融物料冷卻速度慢、制品密度高、收縮較大，尤其對于結(jié)晶型聚合物料，因高溫有助于結(jié)晶度的提高、體積變化大，故收縮更大。模具溫度分布直接影響塑件內(nèi)外冷卻速度，導(dǎo)致塑件內(nèi)部體積或密度均勻性不同，直接影響各部分收縮量大小及取向性。此外注射過程中的保壓壓力及保壓時間對塑件收縮也影響較大，保壓壓力大、時間長則塑件收縮小但取向大。注射壓力低，融料黏度小，層間剪切應(yīng)力小，脫模后彈性回跳大，故收縮也可適量的減小，料溫高、收縮大，但方向性小。因此在成形過程中合理調(diào)整模具溫度、注射及保壓壓力、時間、速度，冷卻時間等因素也可適當(dāng)改變塑件收縮情況。

模具設(shè)計時要根據(jù)各種塑料的收縮范圍、塑件壁厚、形狀特征、澆口形式尺寸及分布情況，按經(jīng)驗確定塑件不同部位，不同方向的收縮率，據(jù)此計算型腔尺寸。對高精度塑件及難以掌握收縮率時，一般可通過是在設(shè)計時留出一定的修正余量，然后通過試模按實際收縮情況修正模具。

2.流動性

（1）熱塑性塑料流動性大小，一般可從分子量大小、熔融指數(shù)、阿基米德螺旋線長度、表觀黏度及流動比（流程長度/塑件壁厚）等一系列指數(shù)進(jìn)行分析。分子量小，分子量分布寬，分子結(jié)構(gòu)規(guī)整性差，熔融指數(shù)高、螺旋線長度長、表觀黏度小，流動比大的則流動性就好，對同一品系的塑料使用之前必須檢驗其技術(shù)參數(shù)，確定其流動性是否適用于注射成形。按模具設(shè)計要求大致可將常用塑料的流動性分為三類：

高流動性塑料 ：如尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酯酸纖維素、聚（4）甲基戊烯。

中等流動性塑料：改性聚苯乙烯（ABS，AS）、有機(jī)玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚甲醛、聚氯醚。

流動性差的塑料：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等。

（2）影響塑料流動性的因素。

塑料的流動性影響因素比較復(fù)雜，主要有如下幾點：

溫度：通常物料溫度高高則流動性增大，但不同塑料也各有差異，如聚苯乙烯（尤其耐沖擊型及MI值較高的）、聚丙烯、尼龍、有機(jī)玻璃、改性聚苯乙烯（ABS，AS）、聚碳酸酯、醋酸纖維素等塑料的流動性隨溫度變化較大，通常稱為熱敏性塑料。

壓力：一般情況下注射壓力增大則物料受剪切作用大，剪切黏度降低，流動性也增大，特別像聚乙烯、聚甲醛等塑料的流動性對剪切應(yīng)力更敏感，所以成形時宜調(diào)節(jié)注射壓力來控制物料流動性。常稱為剪敏性塑料。

塑件結(jié)構(gòu)：塑件結(jié)構(gòu)對熔融物料的流動性影響很大，特別是壁厚的變化，通常壁厚越大，流動阻力越小，壁厚越薄，流動阻力越大，因此塑件設(shè)計過程中應(yīng)使壁厚設(shè)計盡量一致，以減少壁厚的不均勻?qū)ξ锪狭鲃有缘挠绊懀萍霈F(xiàn)短射等工藝質(zhì)量問題。

模具結(jié)構(gòu)：澆注系統(tǒng)的形式、尺寸、布置，冷卻系統(tǒng)設(shè)計，熔融物料的流動阻力（如型面光潔度，料道截面厚度，型腔形狀和排氣系統(tǒng)）等因素都直接影響物料在型腔內(nèi)的實際流動過程，凡使融料降低溫度、增加流動阻力的因素均會使物料流動性降低。

模具設(shè)計時應(yīng)根據(jù)所用塑料的流動性，選用合理的結(jié)構(gòu)。成形時也可控制料溫，模溫及注射壓力、注射速度等因素，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)填充情況以滿足成形需要。

3.結(jié)晶性

熱塑性塑料按其冷卻凝固過程中是否會出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象劃分為結(jié)晶型塑料與和無定型型塑料兩大類。

所謂結(jié)晶型塑料是指塑料由熔融狀態(tài)冷卻凝固時，分子或鏈段由于熱運(yùn)動的作用局部由無序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，使塑料的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)按相對固定的位置排列成規(guī)則結(jié)構(gòu)傾向的現(xiàn)象。高分子材料由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，結(jié)晶往往是不完整的，而在無定型結(jié)構(gòu)中又常常出現(xiàn)局部有序的現(xiàn)象。

判別這兩類塑料的外觀標(biāo)準(zhǔn)可通過塑料的厚壁制件的透明性而定，一般結(jié)晶性料為不透明或半透明（如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等），無定形料為透明（如有機(jī)玻璃、聚碳酸酯等）。但也有例外情況，如聚（4）甲基戊烯為結(jié)晶型塑料卻有高透明性，ABS為無定形料但卻并不一定透明。

通常熔融狀態(tài)的密度和冷卻凝固態(tài)的密度相差越大，成形收縮越大，易發(fā)生縮孔、氣孔等現(xiàn)象，所以結(jié)晶聚合物的收縮性要比無定型大，工程技術(shù)人員在產(chǎn)品和模具設(shè)計過程中要注意制件的尺寸要求和選材之間的協(xié)調(diào)。

4.熱敏性及水敏性

（1）熱敏性塑料系指某些塑料對熱量較為敏感，在高溫下受熱時間較長或進(jìn)澆口截面過小，剪切作用過大時，料溫增高易發(fā)生氧化變色、降聚和分解等傾向，具有這種特性的塑料稱為熱敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、酯酸乙烯共聚物、聚甲醛和聚三氟氯乙烯等塑料品種。熱敏性塑料在分解時易產(chǎn)生單體、氣體、固體等副產(chǎn)物，特別是有的分解氣體對人體、設(shè)備、模具都有刺激、腐蝕作用或毒性。因此，模具設(shè)計、選擇注射機(jī)及成形時都應(yīng)注意，應(yīng)選用螺桿式注射機(jī)，澆注系統(tǒng)截面宜大，模具和料筒應(yīng)鍍鉻，不得有死角滯留物料，必須嚴(yán)格控制成形溫度、模溫、加熱時間、螺桿轉(zhuǎn)速及背壓等。如有物料分解現(xiàn)象應(yīng)立即洗清設(shè)備及模具，必要時應(yīng)在熱敏性塑料中加入熱穩(wěn)定劑，減弱熱敏性能，提高熱穩(wěn)定性。

（2）有的塑料像尼龍、聚碳酸酯等即使含有少量水分，在高溫、高壓下也會發(fā)生分解，這種性能稱為水敏性，對此必須預(yù)先檢測原料水分是否在許可標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，如果超出標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)通過合理的加熱干燥方式至安全水分含量之下，并要注意后期使用過程中的吸潮，采取一定的防潮措施。

5.應(yīng)力開裂或溶劑破裂，熔融破裂

（1）有的塑料材料對應(yīng)力非常敏感，成形時容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力使制件出現(xiàn)質(zhì)脆易裂的現(xiàn)象，有的制件在外力作用或在溶劑作用下即發(fā)生開裂現(xiàn)象，前者稱為應(yīng)力開裂，后者為溶劑開裂。為避免或減輕此種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)選擇合理的塑件形狀，嵌件設(shè)置與否或設(shè)置的具體位置，形狀等，以減少應(yīng)力開裂現(xiàn)象。分析制品使用過程中是否會接觸到敏感溶劑，避免溶劑開裂現(xiàn)象。也可在原料內(nèi)加入助劑以提高抗裂性，對原料干燥處理，并合理地選擇適當(dāng)?shù)某尚螚l件，如調(diào)節(jié)料溫、模溫、注射壓力及冷卻時間等工藝條件，以減少內(nèi)應(yīng)力和增加抗裂性。模具設(shè)計時應(yīng)增大脫模斜度，選用合理的澆口及頂出機(jī)構(gòu)，盡量避免塑件過于冷脆時脫模，成形后塑件還宜進(jìn)行后處理提高抗裂性，消除內(nèi)應(yīng)力并禁止與溶劑接觸。

（2）當(dāng)一定融熔指數(shù)的聚合物熔體，在恒溫下通過噴嘴孔時其流速超過某值后，熔體表面發(fā)生明顯橫向裂紋稱為熔融破裂，有損塑件外觀及物性。故在選用熔融指數(shù)高的聚合物時，應(yīng)增大噴嘴、澆道、進(jìn)料口截面，降低注射速度和提高料溫。

6.熱性能及冷卻速度

（1）各種塑料有不同熱容、熱傳導(dǎo)率、熱變形溫度等熱性能參數(shù)。熱容高的塑料塑化時需要熱量大，應(yīng)選用塑化能力大的注射機(jī)，耗能高。熱變形溫度高塑料注射過程中冷卻時間短，脫模溫度高，但要注意脫模后防止制件冷卻變形。熱傳導(dǎo)率低的塑料冷卻速度慢（如離子聚合物等冷卻速度極低）必須給予充分冷卻，模具設(shè)計過程中要加強(qiáng)模具冷卻效果。熱流道模具適用于熱容低、熱傳導(dǎo)率高的塑料。熱容大、熱傳導(dǎo)率低、熱變形溫度低、冷卻速度慢的塑料則不利于高速成形，必須選擇適當(dāng)?shù)淖⑸錂C(jī)并加強(qiáng)模具冷卻。

（2）各種塑料按其品種特性及塑件形狀，要求必須保持適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。所以模具必須按成形要求設(shè)置加熱和冷卻系統(tǒng)，以保持一定模溫。當(dāng)料溫使模溫升高時應(yīng)給予冷卻，以防止塑件脫模后變形，縮短成形周期，降低結(jié)晶度。當(dāng)塑料余熱不足以使模具保持一定溫度時，則模具應(yīng)設(shè)有加熱系統(tǒng)，使模具保持在一定溫度，以控制冷卻速度，保證流動性，改善填充條件或用以控制塑件使其緩慢冷卻，防止厚壁塑件內(nèi)外冷卻不勻及提高結(jié)晶度等。對流動性好、成形面積大、料溫不勻的則按塑件成形情況，有時需加熱或冷卻交替使用或局部加熱與冷卻并用，為此模具應(yīng)設(shè)有相應(yīng)的冷卻或加熱系統(tǒng)。

7.吸濕性

根據(jù)塑料本身結(jié)構(gòu)中是否含有極性基團(tuán)以及添加的各種添加劑的吸水性，使其對水分具有不同的親疏程度，所以塑料大致可分為吸濕黏附水分及不吸水也不易黏附水分的兩種類型，物料中含水量必須控制在允許范圍內(nèi)。否則在高溫、高壓下水分變成氣體或發(fā)生水解作用，制件中出現(xiàn)起泡、短射、外觀不良及綜合性能下降的現(xiàn)象。所以對吸濕性塑料必須按要求采用適當(dāng)?shù)募訜岱椒耙?guī)范進(jìn)行預(yù)熱，在使用時還需用防止再吸濕。

2.2 注塑件設(shè)計要點

2.2.1 塑件工藝設(shè)計

塑料制品結(jié)構(gòu)的工藝性能就是塑料制品結(jié)構(gòu)在成形時的適應(yīng)性能，即制品的成形、制品的質(zhì)量及其成形模具的結(jié)構(gòu)、成形模具制造的好壞和制品最終總成本的高低。塑料制品結(jié)構(gòu)工藝性能的好壞是塑料制品設(shè)計者設(shè)計出來的，由于工藝性與成形模具有緊密的聯(lián)系，因此，必須分析塑件的工藝適應(yīng)性。慎重考慮塑件的工藝結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計出合理的模具結(jié)構(gòu)，最終得到滿意的產(chǎn)品。根據(jù)成形加工的工藝要求設(shè)計塑料制件，不僅能保證塑料的順利成形和防止缺陷，還能達(dá)到提高生產(chǎn)率和降低成本的目的。所以設(shè)計者在設(shè)計制品時必須充分考慮并很好掌握下述各項制品成形的要素和原則。

塑料制品結(jié)構(gòu)的工藝性能包括塑料的成形特性、制品的成形方法和成形工藝的特點，以及成形模具的結(jié)構(gòu)和制造方法等。設(shè)計原則如下。

（1）首先根據(jù)設(shè)計制品的使用要求確定塑件的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、剛度、韌性、彈性、吸水性以及對應(yīng)力的敏感性，不同塑料品種性能各異，各有所長，在設(shè)計塑件時要充分發(fā)揮材料的優(yōu)點，避免或補(bǔ)償其缺點或不足之處。

（2）在保證制品的各項性能指標(biāo)的前提下，選擇價廉且成形性能好的塑料，并要求制品結(jié)構(gòu)簡單、壁厚均勻，而且成形方便。

（3）在設(shè)計塑料制品的同時，應(yīng)考慮塑料原料的成形工藝性，如流動性、收縮性、結(jié)晶性、取向性、吸濕性、硬化性等，同時其制品形狀應(yīng)有利于分型、排氣、補(bǔ)縮和冷卻。

（4）在設(shè)計制品時，塑件結(jié)構(gòu)應(yīng)能使模具總體結(jié)構(gòu)盡可能簡化，還要考慮模具的總體結(jié)構(gòu)合理，使模具型腔易于制造，模具的抽芯和推出機(jī)構(gòu)簡單，特別是避免側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)和簡化脫模機(jī)構(gòu)，使模具零件符合制造工藝的要求。

（5）當(dāng)制品的外觀要求較高時，應(yīng)先通過造型后逐步繪出樣圖。

塑件成形方法很多，成形方法不同制件設(shè)計原則亦有差別，應(yīng)注意區(qū)別。塑件設(shè)計主要內(nèi)容包括形狀、尺寸、精度、表面粗糙度、壁厚、斜度，以及塑件上的加強(qiáng)筋、圓角、空、螺紋等工藝設(shè)計要點。

2.2.2 塑件材料選擇

塑料制件的選材應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個方面。

（1）塑料的力學(xué)性能，如強(qiáng)度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、沖擊性能，以及對應(yīng)力集中的敏感性。

（2）塑料的物理性能，如對使用環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性、光學(xué)特性、絕熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀的完美程度等。

（3）塑料的化學(xué)性能，如對接觸物的耐性、衛(wèi)生程度及使用上的安全性等。

（4）必要的精度，如收縮率的大小及各向收縮率的差異。

（5）成形工藝性，如塑料的流動性、結(jié)晶性和熱敏性。

對于塑料材料的這些要求往往是通過塑料的特性表進(jìn)行選擇和比較的。可選擇《塑料成形加工與模具》或其他參考手冊如《樹脂手冊》中常用塑料特性表進(jìn)行各種塑料的比較。

2.2.3 塑件形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑件形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)從以下幾方面考慮。

1.易于模塑，盡量避免側(cè)孔與側(cè)凹等側(cè)向分型抽芯結(jié)構(gòu)

如果在塑件內(nèi)外表面上存在與開合模方向垂直的孔（通孔、盲孔）、凹陷部、突起部，則把這些孔、凹陷部、突起部稱為側(cè)孔、側(cè)凹、側(cè)凸。帶有側(cè)孔、側(cè)凹、側(cè)凸的模塑件，成形后脫模困難，需要先抽出成形這些部分，側(cè)向運(yùn)動的模具零件應(yīng)在不妨礙塑件脫模的位置，才能把塑件由模具中頂出。下一次成形之前，必須使側(cè)向抽出的模具零件回復(fù)至成形位置。這必然導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成形周期增長、塑件成本提高等一系列問題。因此，在不妨礙使用要求的前提下，應(yīng)盡量避免把塑件設(shè)計成帶有側(cè)孔、側(cè)凹、側(cè)凸的結(jié)構(gòu)。通常，只要適當(dāng)改變塑件的結(jié)構(gòu)，就可使模具結(jié)構(gòu)大為簡化。

塑件的形狀應(yīng)便于模塑，用注塑或傳遞模塑成形的制品在加工的充模階段能順暢充滿型腔，為此塑件沿料流方向應(yīng)設(shè)計成流線型或具有大的曲率半徑，避免流動死角，以免在死角處形成氣泡、縮孔。

2.塑件應(yīng)便于脫出

為簡化模具結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能不采用復(fù)雜的瓣合對開結(jié)構(gòu)模具或側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)。帶有整圓式斷續(xù)內(nèi)側(cè)凹槽的塑件或內(nèi)螺紋塑件，如果采用內(nèi)側(cè)抽芯的辦法成形，則模具結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜，但當(dāng)內(nèi)側(cè)凹槽較淺且在脫模溫度下該塑料具有足夠的彈性時，則可采用強(qiáng)制脫模的辦法，這時塑件的內(nèi)側(cè)凹應(yīng)設(shè)計成帶有圓角的或梯形斜面，使在強(qiáng)制脫出時能產(chǎn)生使側(cè)壁橫向膨脹的分力。例如，聚甲醛塑件當(dāng)模具型芯有5%的凹陷時，可成功地強(qiáng)制脫出。這些塑料常用的有聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。但大多數(shù)情況下的塑件的側(cè)向凸凹是不能強(qiáng)制脫模的，必須采用側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)。

2.3 塑料制品設(shè)計基本流程

塑料制品設(shè)計首先要確定制品的功能和性能指標(biāo)，再選擇合適的材料，進(jìn)而決定成形加工工藝，然后進(jìn)行制品結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算，繪制塑料制品生產(chǎn)圖。完善的塑料制品設(shè)計還應(yīng)包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能測試。因此，了解塑料材料各項性能的測試是十分重要的，使所設(shè)計的制品性能優(yōu)良，以實現(xiàn)力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等使用要求。

塑料件的設(shè)計一般可分成三個階段。在一項塑料制品生產(chǎn)過程中，制品設(shè)計起著龍頭作用。

1.擬訂設(shè)計方案

在接受設(shè)計任務(wù)后，需全面收集有關(guān)各種資料和技術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合和分析后進(jìn)行以下工作。

第一步是科學(xué)地確定制品的功能和性能。塑料件所具有的功能包括使用功能和環(huán)境功能。在一定時間、空間和環(huán)境下需要完成諸如結(jié)構(gòu)支撐、機(jī)械傳動和電氣絕緣等功能。塑料件的性能有力學(xué)、熱力學(xué)、物理和化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性能。要注意塑料材料的性能不等于塑料件的性能。大多數(shù)塑料經(jīng)加熱熔融和冷卻固化成形，其原材料的性能會下降，或出現(xiàn)新的內(nèi)在缺陷，影響塑料件的性能。像塑料管材等制品的功能和性能指標(biāo)及測試方法是較為完整的。其他常用塑料制品在一定使用場合都有適合的專業(yè)指標(biāo)和測試標(biāo)準(zhǔn)。

第二步是選擇合適的塑料材料。不僅要保證制品的功能和性能，同時要考慮可加工性和生產(chǎn)成本。

第三步是確定制品的加工方法。各種不同的塑料加工方法適用于一定形狀和尺寸，具有一定的加工精度和生產(chǎn)率，要有相應(yīng)成形模具和設(shè)備，同時根據(jù)制品的具體要求確定塑料件的裝配方法和表面修飾等要求。

第四步是對塑料件進(jìn)行失效分析。針對塑料件對時間、溫度和環(huán)境的敏感性，為保證使用期限里塑料件功能和性能的可靠，必須按主要失效形式進(jìn)行預(yù)測性的理論計算和相應(yīng)的實驗測試，如在塑料件壓力裝配后，計算溫度升高和應(yīng)力松弛后的傳遞力矩。又如塑料齒輪在彎曲疲勞、接觸點蝕、齒面磨損或熱膨脹下的模數(shù)和中心距的理論計算。在重要的場合需對制品進(jìn)行沖擊或疲勞、耐候或抗?jié)B透等性能測試。

擬定方案時，要遵循多個方案分析比較并逐步優(yōu)化的方法。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計

塑料件的結(jié)構(gòu)基本上有功能結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)和造型結(jié)構(gòu)三方面。功能結(jié)構(gòu)設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，可確定使用功能實現(xiàn)的制品形狀、尺寸和壁厚。塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計要做靜載荷下短時和長期的形變校核；還要做動載荷下沖擊、疲勞、滯后熱和磨損等校核。

合理的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計是制品生產(chǎn)的前提，關(guān)系到塑件質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。聚合物流變學(xué)是工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，用以考慮模塑成形的可行性。必須合理處理流動性、收縮率、嵌件和脫模等技術(shù)問題。塑料件的合理連接沒計，不但簡化了單個塑件，實現(xiàn)與非塑料件的連接，還保證了流水線上對塑件的高效裝配。

對于機(jī)殼、面板、儀表板和日用塑料制品，要通過外部造型設(shè)計予以裝飾和美化。滾花、拋光、彩飾、植絨、鍍覆金屬和紋理圖案等修飾與美術(shù)相結(jié)合，給人以美感。

結(jié)構(gòu)設(shè)計要用工程制圖進(jìn)行形體的空間思維，各種草圖、軸側(cè)圖和三視圖也是交流的工程語言。現(xiàn)代的電子計算機(jī)繪圖和三維造型，不但保證了設(shè)計質(zhì)量，也為下一步計算機(jī)工藝模擬仿真分析準(zhǔn)備了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過不同的快速成形工藝如光固化工藝，激光選擇燒結(jié)工藝，熔融沉積工藝和疊層實體，硅橡膠模具等快速成形工藝制作原型，以幫助制品結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能或裝配驗證等，設(shè)計中要跟各專職工程師和模具設(shè)計師及時進(jìn)行協(xié)調(diào)交流。

現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)也為塑料件設(shè)計和工藝模擬仿真提供各種專業(yè)軟件與數(shù)據(jù)庫，如彈性卡夾、塑料鉸鏈和塑料齒輪等輔助設(shè)計軟件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的最后階段，慎重確定塑料件的尺寸精度、形位公差和表面質(zhì)量要求是重要的工作。

3.生產(chǎn)準(zhǔn)備和定型

完成了塑料件的圖紙設(shè)計后，必須與工藝工程師和模具工程師交流合作，對制品進(jìn)行計算機(jī)模擬和生產(chǎn)驗證，并進(jìn)行修改，直至定型。

注射模塑制品有各種CAE/CAD分析軟件。對注塑件進(jìn)行二維或三維造型后，數(shù)值模擬注射工藝過程，可獲知塑料熔體充模流動、保壓冷卻、固化收縮和翹曲變形的分析結(jié)果。在此過程中，需對塑料件設(shè)計進(jìn)行修正和優(yōu)化。擠出加工的塑料也有CAD軟件模擬擠出時熔體流動和冷卻定型過程。對復(fù)雜的吹塑、共擠和熱成形加工還必須進(jìn)行專業(yè)的工藝設(shè)汁，預(yù)測和設(shè)計型坯。注射工藝有Moldflow工藝模擬仿真軟件，對制品的工藝設(shè)計，工藝參數(shù)的優(yōu)化，塑料模具澆注系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和型腔的充填、保壓、冷卻等過程提供模擬仿真，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計或在此期間根據(jù)優(yōu)化結(jié)果修改塑料件的原始設(shè)計。

塑料制品與金屬零件一樣有規(guī)模效應(yīng)。由于成形模具成本很高，生產(chǎn)批量與每個塑件制造成本成反比。同樣，塑料件的創(chuàng)造周期決定了新產(chǎn)品的試制周期，而且塑料件生產(chǎn)周期還包括金屬模具的機(jī)械加工周期。專門的塑料件生產(chǎn)，還需設(shè)計和制造專用的成形機(jī)械。

開拓和進(jìn)取的設(shè)計思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)應(yīng)該為塑料件設(shè)計師所具備。在塑料制品的設(shè)計中，以下4條基本原理必須遵循。

（1）保證塑料件在使用期限中的功能和性能，在塑料件失效分析基礎(chǔ)上計算校核，以及實驗測試。

（2）在保證塑料件的功能和性能前提下選擇材料，必須考慮加工的可行和材料成本低廉。

（3）聚合物的流變和固化過程，及其形態(tài)變化對塑料制品影響必須考慮。

（4）大多數(shù)塑料件是各種裝置和設(shè)備中的組成元件，它的設(shè)計應(yīng)統(tǒng)一在整體產(chǎn)品設(shè)計中。在保證整機(jī)質(zhì)量前提下，降低塑料件的成本。

此外，塑料制品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度反映了塑料工業(yè)的發(fā)展水平。對各種電工線纜、吹塑容器、塑料門窗異型材、塑料管材膜材和接頭等系列產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作，今后將有更大進(jìn)展。

2.4 本章小結(jié)

注塑模具的設(shè)計離不開選擇對制件成形工藝的設(shè)計，了解常用工程塑料的特點和性質(zhì)是模具設(shè)計成敗的關(guān)鍵。本章主要介紹常用的熱塑性和熱固性塑料的種類、性質(zhì)，并從實用角度分析塑料制品的設(shè)計要點，包括注塑制品的設(shè)計原則、材料選用、制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的內(nèi)容。通過本章學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握各種常用塑料的成形特性，并在成形分析（如Moldflow）時具體加以應(yīng)用。